基于壓力角的高重合度齒輪主動(dòng)設(shè)計(jì)及特性分析

王建，羅善明，蘇德瑜

(1. 廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門，361024；2. 湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

重合度是衡量齒輪副的傳動(dòng)連續(xù)性、平穩(wěn)性、傳遞載荷均勻性的重要度量指標(biāo)，其定義是齒輪副的一對(duì)輪齒從開始嚙合到終止嚙合過程中，某一齒輪所轉(zhuǎn)過的角度與該齒輪單個(gè)齒距圓心角的比值。它所表達(dá)的是齒輪副的平均嚙合齒對(duì)數(shù)的信息[1-2]。齒輪傳動(dòng)的重合度不僅與傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)誤差有關(guān)，還對(duì)齒輪強(qiáng)度有著重要的影響，而且為了保證能進(jìn)行連續(xù)傳動(dòng)，必須滿足重合度大于1 的條件。為了提高齒輪傳動(dòng)的承載能力和動(dòng)態(tài)性能，目前采用重合度大于2 的高重合度齒輪傳動(dòng)[3-5]。與常規(guī)的齒輪傳動(dòng)相比，高重合度齒輪傳動(dòng)的同時(shí)嚙合輪齒對(duì)數(shù)較多，因此承載能力大[6]。高重合度直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)，一般是通過增大齒頂高系數(shù)、增大齒數(shù)、減小壓力角等方法來實(shí)現(xiàn)[7]。增大齒頂高系數(shù)可以顯著提高齒輪副的重合度，但會(huì)導(dǎo)致齒頂厚減小使齒頂變尖，容易引起靠近齒頂?shù)牟课话l(fā)生崩齒。齒輪副齒數(shù)增大重合度也會(huì)增加，但會(huì)使齒輪傳動(dòng)體積增大。減小壓力角可使重合度增大，且能增大齒厚，減小輪齒變尖的可能，但是在滿足重合度要求的基礎(chǔ)上，要盡量選擇較大的壓力角，以減小彎曲和接觸應(yīng)力，提高齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度。上述高重合度齒輪的設(shè)計(jì)方法都屬于被動(dòng)設(shè)計(jì)方法，無法實(shí)現(xiàn)通過改變預(yù)先給定的齒輪傳動(dòng)重合度主動(dòng)控制齒廓形狀的目的。為了滿足航空和汽車領(lǐng)域中齒輪傳動(dòng)的高平穩(wěn)性和高重合度需求，本文作者提出了一種基于壓力角的高重合度齒輪主動(dòng)設(shè)計(jì)方法，即在建立的壓力角為一次函數(shù)時(shí)齒廓方程描述方法的基礎(chǔ)上，首先給定齒輪傳動(dòng)的重合度，根據(jù)齒輪嚙合原理，推導(dǎo)齒廓的形狀，從而達(dá)到通過改變重合度主動(dòng)控制齒廓形狀的目的。

1 基于壓力角的齒廓方程的數(shù)學(xué)描述

齒輪嚙合坐標(biāo)系如圖1 所示。齒輪1 與坐標(biāo)系Σ 1(O1,x1,y1)相固聯(lián)，齒輪2 與坐標(biāo)系Σ2(O2,x2,y2)相固聯(lián)，通過節(jié)點(diǎn)P 的曲線為嚙合線。假設(shè)兩齒廓接觸點(diǎn)從P 移動(dòng)到P1位置，則P1位置的接觸點(diǎn)在坐標(biāo)系Σ 0(O0,x0,y0)下的坐標(biāo)可表示為

其中：λ 為極距；α 為壓力角；r1為齒輪1 的節(jié)圓半徑。

若齒輪1 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度φ，坐標(biāo)系Σ1(O1,x1,y1)也隨著齒輪1 旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度到達(dá)圖示位置，則P1點(diǎn)在坐標(biāo)系Σ1(O1,x1,y1)下的坐標(biāo)可表示為

同樣地，將接觸點(diǎn)在坐標(biāo)系Σ1(O1,x1,y1)中的坐標(biāo)變換到坐標(biāo)系Σ2(O2,x2,y2)下，可得齒輪2 的齒廓方程為

其中：u 為齒輪傳動(dòng)比。

當(dāng)φ 取正值時(shí)，式(2)和式(3)分別代表齒輪1 齒廓齒頂部分和齒輪2 齒廓齒根部分的坐標(biāo)方程，而當(dāng)φ取負(fù)值時(shí)，分別代表齒輪1 齒廓齒根部分和齒輪2 齒廓齒頂部分的坐標(biāo)方程，同時(shí)，極距λ 和壓力角α 都分別是轉(zhuǎn)角φ 的函數(shù)。

根據(jù)齒輪嚙合原理，齒廓上接觸點(diǎn)的法向量和切向量應(yīng)相互垂直，即

其中：τ11為接觸點(diǎn)P1在齒輪1 齒廓上的切向量；n11為接觸點(diǎn)P1在齒輪1 齒廓上的法向量。

根據(jù)圖1 和式(2)，式(4)可化簡(jiǎn)整理為

要使兩齒輪正確嚙合，齒輪2 齒廓上接觸點(diǎn)的法向量和切向量也應(yīng)相互垂直，同樣可計(jì)算得式(5)成立。

由式(2)，(3)和(5)可知，若壓力角α 也能表示成φ的函數(shù)，則式(2)和(3)分別表示相互嚙合的兩齒輪即齒輪1 和齒輪2 的齒廓方程。

2 以壓力角描述的齒輪嚙合特性的定量表達(dá)式

2.1 曲率

齒輪1 上接觸點(diǎn)的曲率為[8]

同理可得，齒輪2 上接觸點(diǎn)的曲率為

由式(6)和(7)可知，當(dāng)曲率為正值時(shí)，齒廓為凸齒廓，因此，齒廓上尖點(diǎn)存在的條件為曲率半徑為0，即

2.2 滑動(dòng)系數(shù)

根據(jù)齒輪嚙合原理，齒輪1 和2 的滑動(dòng)系數(shù)可表示為[9]

其中，

將式(10)和(11)代入式(9)可得，齒輪1 和2 的滑動(dòng)系數(shù)為

2.3 重合度

齒輪的重合度可表示為[10-11]

其中：z1為齒輪1 的齒數(shù)。

假設(shè)齒輪的α 可表示為φ 的一次函數(shù)，即

其中：C0和C1分別為一次函數(shù)的系數(shù)； αa為節(jié)圓和齒頂圓之間齒廓上點(diǎn)的壓力角；αd為節(jié)圓和齒根圓之間齒廓上點(diǎn)的壓力角。

當(dāng)兩齒輪的一對(duì)輪齒開始嚙合時(shí)，必為主動(dòng)輪的齒根推動(dòng)從動(dòng)輪的齒頂。因此，開始時(shí)嚙合點(diǎn)是從動(dòng)輪的齒頂與嚙合線的交點(diǎn)(如圖1(a)所示)，隨著嚙合傳動(dòng)的進(jìn)行，結(jié)束時(shí)的嚙合點(diǎn)是主動(dòng)輪的齒頂與嚙合線的交點(diǎn)(如圖1(b)所示)，為了方便計(jì)算，以節(jié)點(diǎn)處為參考點(diǎn)。

由圖1 可知，下式成立：

其中：r1和r2分別表示齒輪1 和齒輪2 的分度圓半徑；λa表示節(jié)圓和齒頂圓之間齒廓上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極距；λd表示節(jié)圓和齒根圓之間齒廓上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極距。

當(dāng)齒輪1 的模數(shù)m，齒數(shù)z1，傳動(dòng)比u，齒頂高h(yuǎn)a，壓力角的函數(shù)表達(dá)式已知時(shí)，根據(jù)式(14)和式(16)可求得接觸點(diǎn)位于齒廓頂部時(shí)對(duì)應(yīng)的φa(φa＞0)的大小，根據(jù)式(15)和式(17)可求得接觸點(diǎn)位于齒廓根部時(shí)對(duì)應(yīng)的φd(φd＜0)。將其代入式(13)，可計(jì)算得齒輪傳動(dòng)的重合度。

3 高重合度齒廓主動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立

一元二次方程(16)和(17)根的存在條件為

由圖1 可知：壓力角范圍為[0,π/2]，而當(dāng)φ=0 時(shí)，α=C0±C1φ 表 示 分 度 圓 上 的 壓 力 角，因 此C0滿 足0≤C0≤π/2。

當(dāng)C0=0，將C0=0 代入式(14)，(15)，(5)和(8)可知，當(dāng)φ=0 時(shí)，不管C1取何值，齒廓都會(huì)存在尖點(diǎn)。因此，C0=0 這種情況不適合設(shè)計(jì)齒輪齒廓。

當(dāng)C1在上述范圍內(nèi)，且C1＜0 時(shí)， φa和 φd的取值范圍分別為

而當(dāng)C1＞0 時(shí)， φa和 φd的取值范圍分別為

將式(22)和式(23)代入式(13)，即可計(jì)算得齒輪的重合度。同理，當(dāng)齒輪的模數(shù)m，齒數(shù)z1，傳動(dòng)比u，齒頂高系數(shù)ha*，頂隙系數(shù)C*，系數(shù)C0已知時(shí)，根據(jù)式(22)、式(23)和式(13)，可畫出系數(shù)C1和重合度ε的關(guān)系曲線。根據(jù)該曲線關(guān)系，當(dāng)重合度確定后，可選擇系數(shù)C0和C1，將C0和C1分別代入式(14)，(15)和(5)，可計(jì)算得α 和λ，將上述數(shù)值代入式(8)驗(yàn)證是否出現(xiàn)尖點(diǎn)，若不出現(xiàn)尖點(diǎn)，則可將上述數(shù)值分別代入式(2)和(3)可得主動(dòng)齒廓和從動(dòng)齒廓的表達(dá)式；若出現(xiàn)尖點(diǎn)，則需重新選擇系數(shù)C0和C1。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 齒廓方程

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的正確性，以重合度為3.0的齒輪傳動(dòng)為例，說明其具體設(shè)計(jì)過程。齒輪的其他參數(shù)為模數(shù)m=2.5，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)C*=0.25，齒數(shù)z1=25，z2=39。根據(jù)式(22)、式(23)和式(13)，若選取C0為π/8 和π/16，則系數(shù)C1和重合度ε的關(guān)系曲線如圖2 所示。當(dāng)齒輪的重合度為3.0 時(shí)，本文選取C0=π/8，從而可得C1=0.539 9。將C0=π/8 和C1=0.539 9 代入式(14)，(15)和(5)，可計(jì)算得α 和λ，將上述數(shù)值代入式(8)可知，齒廓不會(huì)出現(xiàn)尖點(diǎn)。因此，將上述數(shù)值分別代入式(2)和式(3)可得主動(dòng)齒廓和從動(dòng)齒廓的方程分別為

圖2 系數(shù)C1 和重合度ε的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between contact ratio ε and coefficient C1

圖3 所示為高重合度齒輪與漸開線齒輪齒廓對(duì)比圖，其中，虛線為漸開線齒廓，實(shí)線為高重合度齒廓。由圖3、式(24)和式(25)可知：

1) 當(dāng)φ≥0 時(shí)，式(24)和式(25)的第1 個(gè)式子分別表示主動(dòng)齒輪分度圓和齒頂圓之間的齒廓、從動(dòng)齒廓齒根圓和分度圓之間的齒廓；而當(dāng)φ≤0 時(shí)，式(24)和式(25)的第2 個(gè)式子分別表示主動(dòng)齒輪分度圓和齒根圓之間的齒廓以及從動(dòng)齒廓齒頂圓和分度圓之間的齒廓。

2) 與相同參數(shù)的漸開線齒廓相比，高重合度齒輪在分度圓以下部分的齒寬大于漸開線齒輪在分度圓以下部分的齒寬，而在分度圓以上部分則相反。

圖3 齒廓對(duì)比圖Fig.3 Tooth profiles of gears

4.2 曲率

根據(jù)式(6)和(7)，利用MATLAB 軟件，可得出齒廓的曲率隨轉(zhuǎn)角φ的變化曲線，如圖4 所示。其中實(shí)線表示主動(dòng)齒廓的曲率，虛線表示從動(dòng)齒廓的曲率。綜合曲率半徑是衡量齒輪接觸強(qiáng)度的重要指標(biāo)，與齒廓接觸應(yīng)力和接觸強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，因此有必要找出高重合度齒輪綜合曲率半徑的變化曲線。

圖4 齒廓曲率隨齒輪轉(zhuǎn)角的變化曲線Fig.4 Curvature of tooth profiles with different rotation angles

綜合曲率半徑ρ可表示為[12]：

當(dāng)接觸部分曲率方向相同時(shí)取“-”號(hào)，相反則取“+”號(hào)。

圖5 所示為高重合度齒輪綜合曲率半徑隨轉(zhuǎn)角φ的變化曲線。由圖5 可知：高重合度齒輪的綜合曲率半徑很大，根據(jù)赫茲公式，兩輪齒在接觸處的最大接觸應(yīng)力與綜合曲率半徑成反比[13]，故高重合度齒輪在接觸點(diǎn)處的最大接觸應(yīng)力較小，對(duì)應(yīng)的接觸強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)較大。

4.3 滑動(dòng)系數(shù)

圖5 高重合度齒輪的綜合曲率半徑Fig.5 Composite curvature radius of proposed gear

圖6 高重合度齒輪的滑動(dòng)系數(shù)Fig.6 Sliding coefficients of proposed gear drive

根據(jù)式(12)繪制高重合度齒輪的滑動(dòng)系數(shù)如圖6所示。當(dāng)φ＞0 時(shí)，可繪制主動(dòng)齒輪分度圓與齒頂圓之間齒廓的滑動(dòng)系數(shù)以及從動(dòng)齒輪分度圓和齒根圓之間的滑動(dòng)系數(shù)，而當(dāng)φ＜0 時(shí)，可繪制主動(dòng)齒輪分度圓與齒根圓之間齒廓的滑動(dòng)系數(shù)以及從動(dòng)齒輪分度圓和齒頂圓之間的滑動(dòng)系數(shù)。

當(dāng)壓力角為常數(shù)時(shí)，齒廓為漸開線齒廓[14]，若漸開線齒輪的壓力角為20°，其他參數(shù)和高重合度齒輪相同，則C0=π/9，C1=0。根據(jù)式(12) 繪制漸開線齒輪的滑動(dòng)系數(shù)，如圖7 所示。

圖7 漸開線齒輪的滑動(dòng)系數(shù)Fig.7 Sliding coefficients of involute gear drive

由圖6 和圖7 可知：節(jié)圓處滑動(dòng)系數(shù)為0，而在遠(yuǎn)離節(jié)圓處，滑動(dòng)系數(shù)逐漸增大，表示齒面磨損量增大；高重合度齒輪主動(dòng)輪的滑動(dòng)系數(shù)變化區(qū)間為[-2.33, 0.61]，從動(dòng)輪的滑動(dòng)系數(shù)變化區(qū)間為[-1.55,0.70]，而漸開線齒輪主動(dòng)輪的滑動(dòng)系數(shù)變化區(qū)間為[-5.98, 0.68]，從動(dòng)輪的滑動(dòng)系數(shù)變化區(qū)間為[-2.12,0.86]，因此，高重合度齒輪的滑動(dòng)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于漸開線齒輪的滑動(dòng)系數(shù)，有利于改善齒輪的磨損狀況，提高齒輪的壽命。

5 動(dòng)力學(xué)分析

為了分析重合度對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)特性的影響，根據(jù)Hertz 碰撞理論，本文利用Adams 軟件，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例中的高重合度齒輪進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。分別在兩齒輪上施加旋轉(zhuǎn)副，齒輪之間加實(shí)體-實(shí)體碰撞力，輸入軸上加轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，輸出軸上加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，建立的完整動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖8 所示。

圖8 動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.8 Dynamic simulation model

小齒輪施加的轉(zhuǎn)速為300 r/min，為了避免由于開始的沖擊造成的速度突變，轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)以階躍函數(shù)施加，為STEP(time，0，0d，0.2，1 800d)。在被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上施加的負(fù)載函數(shù)為STEP(time，0，0，0.01，150 000)，大小為150 N·m 的階躍函數(shù)。接觸碰撞函數(shù)可表示為IMPACT(x，x，x1，k，e，Cmax，d)[15]，其中，x 表示用來計(jì)算碰撞函數(shù)里的距離變量；x相對(duì)于位移的碰撞速度；x1表示位移x 自由長(zhǎng)度的正實(shí)數(shù)變量，若x＜x1則力賦一個(gè)正值，否則力為0 N，x1可以被定義為一個(gè)實(shí)數(shù)、函數(shù)或者變量；e 表示力的變形特性指數(shù)的一個(gè)正實(shí)變量；Cmax表示最大阻尼系數(shù)的一個(gè)非負(fù)實(shí)變量；d 表示在施加全阻尼時(shí)的邊界穿透量。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)例中齒輪參數(shù)可計(jì)算得阻尼系數(shù)C=50 N·s/mm，穿透深度d=0.1mm，k=6.4×105N/mm，e=1.5。本文取仿真時(shí)間為0.5 s，步長(zhǎng)為6 000。圖9所示為高重合度齒輪嚙合力仿真曲線。為了便于比較，圖10 給出了相同參數(shù)的漸開線齒輪的嚙合力仿真曲線。由圖9 和圖10 可知：

圖9 高重合度齒輪嚙合力曲線Fig.9 Meshing force of high contact ratio gear

圖10 漸開線齒輪嚙合力曲線Fig.10 Meshing force of involite gear

1) 與漸開線齒輪傳動(dòng)相同，在仿真開始的瞬間，齒輪突然加速，嚙合力隨齒輪嚙合的進(jìn)行發(fā)生波動(dòng)，但波峰間距較大，即齒輪嚙合周期較長(zhǎng)，隨著傳動(dòng)的進(jìn)行，嚙合力在一個(gè)均值附近以一定的幅值和周期上下波動(dòng)，周期和幅值趨于穩(wěn)定，這是齒輪周期性嚙入嚙出沖擊的表現(xiàn)。

2) 漸開線齒輪傳動(dòng)的徑向嚙合力在均值處的波動(dòng)幅值為758.43 N，而高重合度齒輪傳動(dòng)的徑向嚙合力在均值處的波動(dòng)幅值為459.16 N，比漸開線齒輪傳動(dòng)減少了39.5%。

3) 漸開線齒輪傳動(dòng)的切向嚙合力在均值處的波動(dòng)幅值為399.24 N，而高重合度齒輪傳動(dòng)的切向嚙合力在均值處的波動(dòng)幅值為351.05 N，比漸開線齒輪傳動(dòng)減小了12.1%。因此，從仿真結(jié)果來看，高重合度齒輪傳動(dòng)的嚙入嚙出沖擊相對(duì)較小，傳動(dòng)更加平穩(wěn)。

6 結(jié)論

1) 利用基于壓力角的齒輪主動(dòng)設(shè)計(jì)方法，可以在設(shè)計(jì)之前就預(yù)知齒輪傳動(dòng)的重合度，還可以直接計(jì)算其曲率、滑動(dòng)系數(shù)等嚙合特性，為方便快捷地設(shè)計(jì)滿足不同重合度需求的特殊齒輪奠定了基礎(chǔ)。

2) 與相同參數(shù)的漸開線齒輪相比，利用本文提出的方法設(shè)計(jì)的重合度為3 的齒輪，具有最大接觸應(yīng)力小，滑動(dòng)系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，有利于改善齒輪的磨損狀況，提高齒輪壽命。

3) 在相同條件下，高重合度齒輪傳動(dòng)的徑向嚙合力在均值處的波動(dòng)幅值比漸開線齒輪減少了39.5%，切向嚙合力在均值處的波動(dòng)幅值比漸開線齒輪減小了12.1%，因此，其嚙入嚙出沖擊和傳動(dòng)的平穩(wěn)性均優(yōu)于漸開線齒輪。

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